1. F´
ısica
Gu´ de Materia
ıa
El Universo
´
Modulo Comun´
II Medio
www.puntajenacional.cl
´ ´
Nicolas Melgarejo, Veronica Saldana ˜
Licenciados en Ciencias Exactas, U. de Chile
Estudiantes de Licenciatura en Educaci´n, U. de Chile
o

2. 1. El Universo
El origen del Universo se atribuye, seg´n la teor´ del Big Bang, a una gran explosi´n de donde
u ıa o
emergi´ toda la materia que se concentraba en un punto sin volumen y de densidad infinita, en f´
o ısica a
esto se llama singularidad, dentro de ella ni el espacio ni el tiempo pueden existir. De este modo pierde
sentido la pregunta ¿qu´ hab´ o pasaba antes del Big Bang? o ¿qu´ caus´ el Big Bang? ya que no existe
e ıa e o
nada antes del Big Bang, pues no exist´ el tiempo, una causa implica un orden temporal que no exist´
ıa ıa
sino hasta el momento de la expansi´n.o
Luego del estallido comienza la inflaci´n del Universo, la cual crea la materia que comenz´ a alejarse
o o
muy r´pidamente, nacen el espacio y el tiempo. Al terminar la inflaci´n el Universo era tremendamente
a o
caliente, el cual comienza a enfriarse, a estas temperaturas no pueden haber existido ´tomos ni mol´culas
a e
como las conocemos, los protones y neutrones conviv´ en equilibrio con los electrones, muones, neutrinos
ıan
y rayos gamma que pose´ mucha energ´ Al bajar la temperatura muchas de estas part´
ıan ıa. ıculas comenzaron
a desaparecer, quedando s´lo protones, neutrones y electrones. Dos protones y dos neutrones se unieron
o
para formar un 25 % de helio, el 75 % restante queda como hidr´geno. El Universo sigue su expansi´n, 380
o o
mil a˜os despu´s de la explosi´n la temperatura es apta para que protones y electrones se combinen para
n e o
formar ´tomos neutros, los cuales recombin´ndose dieron origen a lo que hoy conocemos como Universo.
a a
El Universo contin´a expansi´n y enfri´ndose, actualmente su temperatura es de −270◦ C, por lo que
u o a
morir´ congelado en un futuro infinito. La expansi´n del Universo se est´ acelerando, a gran escala el
a o a
Universo es plano y vale en ´l la geometr´ euclidiana.
e ıa
Figura 1: En esta espectacular imagen, obtenida por un radiotelescopio en el rango del infrarrojo, se
comprueba la teor´ del Bing-Bang al descubrirse la radiaci´n de fondo que predice tal teor´
ıa o ıa.
1.1. Estrellas
Las estrellas son enormes esferas de gas, principalmente hidr´geno y helio, que est´n a muy alta tem-
o a
peratura. Poseen una fuente interna de energ´ que se transporta por radiaci´n, convecci´n y conducci´n.
ıa o o o
Siempre est´n sometidas a su atracci´n gravitatoria y a la fuerza que proporciona la presi´n interna del gas.
a o o
A continuaci´n se nombran algunas caracter´
o ısticas de su evoluci´n:
o
Se originan a partir de grandes nubes (nebulosas) que contienen mucho gas y polvo a bajas tempe-
raturas, cuyas part´ıculas comienzan a contraerse debido a la atracci´n gravitacional, aumentando
o
la presi´n en el centro, lo que genera el incremento de la temperatura hasta producirse la fusi´n
o o
nuclear. Durante este proceso se juntan n´cleos de hidr´geno formando n´cleos de helio, liber´ndose
u o u a
energ´ desde el interior de la nebulosa, naciendo as´ una estrella.
ıa ı
Cuanto mayor sea la masa de una estrella menos tiempo tiene de vida y viceversa.
2

3. Una estrella vive mientras dure la transformaci´n del hidr´geno en helio, hasta que el hidr´geno
o o o
finalmente se agota y la estrella muere, pero esto puede tardar millones o miles de millones de a˜os.
n
Cuando el hidr´geno se consume, el n´cleo, que ahora es de helio, se contrae produciendo un aumento
o u
de la temperatura hasta que el helio se fusiona, liberando ox´ ıgeno y carbono, la estrella comienza
a expandirse, aumenta su brillo, disminuye la temperatura en su superficie, adopta un tono rojizo
convirti´ndose en una gigante roja.
e
La muerte de una gigante roja se produce contray´ndose el n´cleo y arrojando al espacio sus capas
e u
externas. As´ queda convertida en una enana blanca, tipo de estrella con el tama˜o de la Tierra,
ı n
pero con la masa del Sol. Nuestro Sol terminar´ como una enana blanca.
a
La muerte de una estrella super gigante se produce contray´ndose hasta quedar con un n´cleo de
e u
hierro. La contracci´n gravitacional es tan intensa que desencadena una explosi´n conocida como
o o
supernova, liberando gran cantidad de energ´ y residuos al espacio.
ıa
Los restos de una supernova, seg´n la masa de los residuos, pueden generar una estrella de neu-
u
trones o un agujero negro . Se produce un agujero negro cuando la masa residual es superior a
tres veces la masa del Sol, origin´ndose un colapso gravitacional.
a
Las estrellas se pueden clasificar seg´n sus caracter´
u ısticas espectrales y su luminosidad, entre otros
tipos de catalogaciones. Los colores de las estrellas est´n relacionados con la temperatura de su superficie
a
visible y su masa, es as´ como las estrellas rojas son las que poseen la menor temperatura, luego le siguen
ı
las anaranjadas, las amarillas, las blancas hasta llegar a las azules que son las m´s calientes.
a
Figura 2: Supernova (izquierda) es la muerte de una estrella y nebulosa (derecha) la cuna del nacimiento
de ellas.
1.2. Constelaciones
Las constelaciones son agrupaciones de estrellas, que miradas desde la Tierra parecen estar cercanas
y contenidas en una especie de esfera denominada esfera celeste o b´veda celeste, la que parece girar
o
en direcci´n este-oeste. Sin embargo, esta esfera es imaginaria, pues las estrellas se encuentran distantes
o
entre s´
ı.
Las configuraciones estelares pueden asociarse con objetos o personajes, dependiendo de la imaginaci´no
de quien observe el firmamento. Actualmente, la esfera celeste se divide en 88 constelaciones, muchas de
las cuales tienen nombres que provienen de los griegos, como por ejemplo, Andr´meda, Perseo, Ori´n,
o o
Casiopea, etc´tera. Las constelaciones m´s familiares son las del zodiaco. El zodiaco es una secuencia de
e a
12 constelaciones que rodean la ecl´
ıptica, es decir, por donde pasa el Sol en su curso anual y por donde
tambi´n pasan la Luna y los planetas. Las constelaciones zodiacales son: Aries, Tauro, Gemini, C´ncer,
e a
3

4. Leo, Virgo, Libra, Escorpi´n, Sagitario, Capricornio, Acuario y Piscis. La constelaci´n m´s conocida en
o o a
nuestro hemisferio es la de Ori´n, especialmente por la presencia de las “Tres Mar´
o ıas”.
1.3. Galaxias
Las galaxias deben haberse formado entre un mill´n y 500 millones despu´s del momento del Big Bang
o e
a partir de fluctuaciones (incremento local de densidad) en el Universo primitivo, las cuales deben haber
crecido en tama˜o hasta llegar al punto donde la fuerza de gravedad dentro de la fluctuaci´n empez´ a
n o o
superar la expansi´n y adquiri´ identidad propia. Una vez que la fluctuaci´n comienza a contraerse em-
o o o
piezan a aparecer peque˜as inhomogeneidades que aumentan y colapsan gravitacionalmente, formando
n
las galaxias. El c´mulo inicial se divide en miles de fragmentos menores, que constituir´n las galaxias
u a
individuales. Algunos dar´n origen a galaxias el´
a ıpticas, otros a espirales los menores a irregulares. Es
posible que se formen de manera inversa: primero las estrellas, luego las galaxias y finalmente los c´mulos
u
de galaxias.
Una galaxia es un sistema tridimensional de estrellas, gases y polvos interestelares, generalmente no
se encuentran solas, sino que forman parte de grupos llamados c´ mulos de galaxias. A comienzos del
u
siglo XX, Edwin Hubble descubri´ que todas las galaxias se est´n alejando entre s´ fen´meno que tiene
o a ı, o
relaci´n con la expansi´n del Universo.
o o
Como se dijo anteriormente, las galaxias se presentan en tres variedades principales: la de apariencia
el´
ıptica, las de aspecto espiral y las de forma irregular.
1.4. Galaxias el´
ıpticas
Aglomeraci´n elipsoidal o circular que posee una estructura muy regular.
o
Contiene una gran poblaci´n de estrellas viejas y poca cantidad de gases y polvo interestelar. La
o
edad promedio es de trece mil millones de a˜os, las hay de diversos tama˜os: desde las enanas que
n n
contienen a penas un mill´n de estrellas, hasta galaxias masivas que contienen m´s de un bill´n de
o a o
estrellas.
1.5. Galaxias espirales
Su forma corresponde a un disco achatado con prolongaciones luminosas m´s conocidas como brazos
a
que se encuentran en rotaci´n.
o
Contienen una gran poblaci´n de estrellas azules j´venes, algunas estrellas viejas y bastante gas y
o o
polvo interestelar. En el centro de la galaxia hay una gran densidad estelar y en algunos casos un
hoyo negro.
4

5. 1.6. Galaxias irregulares
De tama˜o mucho menor a las anteriores y de estructura no definida. No poseen n´cleo, son poco
n u
luminosas y la formaci´n de estrellas en su interior ocurre de forma ca´tica.
o o
Poseen gran cantidad de gases, polvo interestelar; estrellas viejas, j´venes y en formaci´n.
o o
Nuestro Sistema Solar est´ ubicado en uno de los brazos espirales, llamado Brazo de Ori´n, de la V´
a o ıa
L´ctea. La V´ L´ctea es una gigantesca galaxia espiral, tiene unos 100 mil a˜os luz de di´metro. Se
a ıa a n a
origin´ hace unos 10.000 millones de a˜os, posee un movimiento de rotaci´n en torno a su centro de unos
o n o
km
250 , contiene alrededor de 200 mil millones de estrellas.
s
1.7. Cometas
Se trata de estructuras ligadas gravitacionalmente al Sol, los cuales residen en
una nube esf´rica alrededor de esta estrella. Actualmente se cree que los cometas
e
se condensaron a partir de la nebulosa solar en el momento de formaci´n del Sol
o
y los planetas.
Los cometas son cuerpos celestes que siguen ´rbitas muy el´
o ıpticas, se caracte-
rizan por el cambio de estado que sufren los materiales s´lidos que lo conforman,
o
los cuales se convierten en gas a medida que el cometa se acerca al Sol. Poseen un
n´cleo constituido por hielos de agua, di´xido de carbono, metano y part´
u o ıculas
de polvo. Alrededor del n´cleo se encuentra la coma, envoltura que libera gases
u
como mon´xido de carbono y vapor de agua. Los cometas est´n envueltos en una
o a
5

6. nube de hidr´geno y tienen una cola que puede ser de dos tipos: una de polvo que es amarillenta y una
o
de plasma que es de color azul.
2. Exploraci´n del espacio
o
Las primeras observaciones del espacio se realizaron mirando a simple vista el firmamento. Con el
transcurso del tiempo los exploradores del espacio comenzaron a ayudarse con distintos instrumentos
como telescopios, radiotelescopios, sat´lites, sondas espaciales, etc.
e
2.1. Telescopios ´pticos
o
Instrumentos capaces de producir una imagen aumentada de los objetos, utilizando la luz que proviene
de ellos.
En 1.609 Galileo Galilei present´ uno de los primeros telescopios. Dentro de los telescopios m´s des-
o a
tacados se encuentran el telescopio espacial Hubble que se encuentra en ´rbita fuera de la atm´sfera
o o
terrestre y los telescopios de Paranal.
2.2. Radiotelescopio
Instrumento utilizado para estudiar las ondas de radio que llegan desde el espacio, generalmente a
trav´s de una antena parab´lica.
e o
2.3. Sat´lites
e
Un sat´lite es cualquier objeto que orbita alrededor de otro. Los sat´lites artificiales son naves espa-
e e
ciales fabricadas en la Tierra y enviadas en un veh´
ıculo de lanzamiento con fines militares, astron´micos,
o
comunicacionales, meteorol´gicos, energ´ticos, etc.
o e
6

7. La exploraci´n del espacio con sat´lites se inici´ en 1.957 con la puesta en ´rbita del Sputnik, de la
o e o o
Uni´n Sovi´tica. El Sputnik 2 logr´ colocar en ´rbita al primer animal en la historia.
o e o o
En 1.960 se lanz´ el primer sat´lite de comunicaciones, el Echo I. En 1.961 se puso al primer humano,
o e
Yuri Gagarin, a orbitar la Tierra, volviendo a ella sin problemas. En 1.962 se lanz´ el primer sat´lite de
o e
comunicaciones activo, el Telstar I, creando el primer enlace televisivo internacional. Desde 1.957 la red
de vigilancia espacial ha registrado m´s de 26.000 objetos orbitando sobre la Tierra, donde 8.000 son de
a
fabricaci´n humana.
o
2.4. Sondas espaciales
Una sonda espacial es un objeto que recoge informaci´n y la env´ a la Tierra, viajando hasta los
o ıa
extremos del Sistema Solar e incluso saliendo de ´l. Las sondas espaciales Voyager I y II, y Galileo,
e
proporcionaron interesante informaci´n sobre los planetas del Sistema Solar.
o
En 1.997 una nave espacial no tripulada se pos´ sobre Marte para recoger informaci´n. Tambi´n lo
o o e
hizo la primera sonda rob´tica, Pathfinder, en una serie de misiones programadas.
o
Figura 3: Imagen correspondiente a sonda espacial Voyager 2, la cual lleva m´s de 3 d´cadas de servicio.
a e
2.5. Vuelos espaciales
La ciencia que estudia los vuelos espaciales y la tecnolog´ relacionada con ellos se denomina as-
ıa
tron´utica. La tecnolog´ necesaria para la exploraci´n espacial estuvo disponible con la construcci´n de
a ıa o o
los primeros cohetes, las personas que manejan o son pasajeros de estas naves se llaman astronautas.
Pedro Paulet dise˜´ y construy´ el primer motor cohete en 1.897, en 1.902 Konstantin Tsiolkovsky di-
no o
se˜´ una nave a retropropulsi´n para viajes interplanetarios, en 1.926 Robert Hutchings Goddard realiz´ el
no o o
primer vuelo de cohete impulsado por combustible l´ ıquido.
Hist´ricamente, la exploraci´n espacial comenz´ con el lanzamiento del sat´lite artificial Sputnik en
o o o e
1.957 y la perra Laica en ese mismo a˜o. En 1.961 se lanz´ al primer hombre al espacio, Yuri Gagarin, y
n o
en 1.963 a la primera mujer, Valentina Tereshkova.
En 1.968 se realiz´ la primera circunnavegaci´n a la Luna, en 1.969 la misi´n Apolo XI lleg´ a la
o o o o
superficie de la Luna con una tripulaci´n de tres astronautas. Luego Estados Unidos construy´ trans-
o o
bordadores espaciales, estas naves llamadas Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis y Endeavour se
utilizaron para diversas misiones.
2.6. Observatorios astron´micos en Chile
o
Los cielos del norte de Chile poseen una atm´sfera muy transparente, limpia y el desierto que ca-
o
racteriza la zona pone una frontera natural a la contaminaci´n luminosa producida por el asentamiento
o
humano, estas cualidades favorecen las condiciones de la observaci´n astron´mica.
o o
A continuaci´n se presenta una lista de algunos de los observatorios que se encuentran en nuestro pa´
o ıs:
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8. Regi´n de Antofagasta:
o
• Observatorio Very Large Telescope de Cerro Paranal (ESO-EUROPA).
Regi´n de Atacama:
o
• Observatorio Las Campanas (Carnegie USA).
Regi´n de Coquimbo:
o
• Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (AURA-USA).
• Observatorio G´mini (Consorcio Internacional), Cerro Pach´n.
e o
• Telescopio SOAR (Southern Observatory for Astrophysical Research), Cerro Pach´n.
o
• Observatorio La Silla (ESO-EUROPA).
• Observatorio Astron´mico Comunal Cerro Mamalluca, Vicu˜a.
o n
Regi´n de Valpara´
o ıso:
• Observatorio El Roble (U. de Chile, CHILE)
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9. Bibliograf´
ıa
ısica 1◦ Educacion Media, Cuarta edici´n, Santillana (2009)
[1 ] F´ ´ o
Mario Toro Frederick, Rodrigo Marchant Ramirez, Mauricio Aguilar Baeza.
[2 ] F´
ısica Tomos I y II, Tercera edici´n, Mc Graw-Hill. M´xico (1992)
o e
Raymond A. Serway.
[3 ] Ciencias Plan Comun, F´
´ ısica, Chile (2007)
Direcci´n acad´mica CEPECH.
o e
[4 ] F´
ısica General, Tercera edici´n, Harla. M´xico (1981)
o e
Beatr´ Alvarenga, Antˆnio M´ximo.
ız o a
[5 ] F´
ısica Conceptual, Novena edici´n, Pearson Educaci´n. M´xico (2004)
o o e
Paul Hewitt.
[6 ] Astronom´ Contemporanea, Primera edici´n, Ediciones B, Chile (2009)
ıa ´ o
Jos´ Maza.
e
[7 ] Introduccion a la F´
´ ısica, S´ptima edici´n, Editorial Kapelusz, Argentina (1958)
e o
Alberto Maiztegui, Jorge Sabato.
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